第十七章 只為了你——基於FPGA的真彩VGA顯示的實現

一、講真彩顯示的理由：

前面講了這麼多的VGA，至此，應該有一個大概的瞭解。我想，就算前面講的你都玩得很帥氣了，你還是會很不爽。因為，畢竟這是電腦的液晶，為啥我們就不能做的想電腦一樣顯示彩色的圖片呢？只是單純的顯示線條，字元，感覺還是在玩LCD1602、LCD12864似地，不爽，不爽，灰常的不爽。那麼大的VGA，不做點像樣的東西，還真的很不甘心。

視覺的衝擊，真彩的誘惑，內心的萌動，如果你是個不願意放棄的人，沒做到真彩顯示，我想，你應該不會那麼踏實；如果你是一個對視覺有衝動的人，單調的VGA驅動，決不會甘心。Bingo當年就是很不爽，為了那一刻，走一步，再走一步，潛行了很久，終於在某年某月某一天，視覺暫留於熒光屏，彩色的誘惑，阻隔了前面的世界，曆史從此定格。

本章將講述VGA真彩顯示的設計，通過硬體設計，軟體設計，以及各種不同的方案來講解，同時通過對Bingo設計的真彩顯示的一個工程稍做分析；最後展望未來，繼續走下一步，視覺暫留的我們不能就此停下腳步，，風雨兼程決不放棄，接下來要做的將會更多更多，其實這才是真正的開始。

二、真彩顯示的要求1、資料的流通

要想在VGA上顯示一張彩色的圖片，就必須有充足的條件。簡單的說，那就必須要有圖片資料來源、要能實現資料緩衝，最後以標準的時序給VGA刷屏。整體流程如所示：

（1）外部資料源，由CPU捕獲

（2）由CPU捕獲的資料，緩衝與SRAM或者SDRAM等顯存

（3）由CPU控制VGA狀態，以固定的時序給VGA刷屏

關於標準時序給VGA刷屏也就是以上的（3），Bingo在前面兩張已經講的非常清楚，掌握的朋友應該可以應用自如了。前文中VGA的驅動沒有資料來源（暫且認為Mif檔案的資料屬於邏輯電路的描述），我們只是用FPAG邏輯描述的電路，給VGA固定座標顯示固定的內容。因此，這一章的關鍵是將VGA刷屏的資料來源，以及資料緩衝處理，Bingo通過分析資料流通渠道來分析VGA真彩映像顯示的技術。

2、色彩的識別

關於映像的格式，有JPEG、BMP、PNG等多種格式；映像的位元，也有單色、4灰、256色、4096色、16位真彩色、24位真彩色、32位真彩色這幾種。

有一種方法是直接通過讀取存放於SD卡、隨身碟等移動資料的圖片，通過圖片解碼來得到映像資料，真彩顯示。FPGA並行資料輸出，經過數模轉換（電阻網路轉換或者視頻轉換晶片），得到16位以上的VGA資料。人眼不能分辨的極限，至少也需要16位真彩色。16位以上的資料，24位、32位，人眼基本無法分辨清楚，因此，要求不是很高的情況下16位真彩色已經足夠勝任。

前面講過的VGA驅動，最基本的解析度有如下三種：

（1）VGA_640_480_60FPS_25MHz

（2）VGA_800_600_72FPS_50MHz

（3）VGA_1024_768_60FPS_65MHz

可見，至少25MHz的速度刷屏，需要我們在軟體中實現顯卡刷屏的功能；在最小圖片容量即（1）模式下的資料量是640*480*16 = 4915200Bits = 600KB，在（3）模式下的資料量是1024*768*16 = 1.5MB。如此大的圖片資料，需要有如此容量的緩衝區。

綜上，也就是說，要實現真彩映像VGA顯示，第一需要16位以上的VGA驅動電路，第二需要足夠的容量來存放圖片。

三、各種方案的匯總1. 待用資料源

所謂待用資料源，就是資料已經儲存在系統中，不能再改變的的資料來源。為了顯示真彩映像，我們可以將映像資料存放於SDRAM，或者Flash，從而通過讀取IC上已經儲存的映像資料，顯存於SRAM，利用前面Bingo設計的VGA可移植模組驅動刷屏，實現真彩映像的顯示。基本的架構就是：

FPGA + 待用資料源 + SDRAM/SRAM + VGA

當然此處資料存放於SDRAM，我們可以用Nios II 的C存放於數組，通過JTAG下載；FLASH中的資料，我們可以用Nios II 中的 Flash Programmer來完成配置。關於SDRAM中存放映像資料來實現真彩映像時最基本最簡單的方法，Bingo將會在後文講解。

2. 動態資料源

所謂動態資料源，就是可以即時傳輸資料來改變顯示的資料來源。這關係資料轉送的終端，以及資料轉送的通道。基本的架構就是：

FPGA + 動態資料源 + SDRAM/SRAM + VGA

（1）前面章節中Bingo講過的UART/USB硬核的編寫，或者直接利用Quatus II 偏上系統的UART/USB軟核，來作為動態資料通道。在這裡可以應用，我們把PC當做智能終端，通過電腦處理，輸出圖片資料，更新SDRAM/SRAM內容，即時刷屏，從而更新VGA內容。當然由於頻寬的限制，UART不可能達到即時顯示，而USB則可以達到即時傳輸，但較UART介面的定義要稍微複雜。

（2）當然也不排除網路傳輸來作為動態資料源通道，實現動態真彩圖片的顯示。只是目前而言，可能難度有點大，但這隻是時間問題。

（3）在這就是將圖片資料存放於SD卡，通過驅動SD卡來緩衝圖片資料，然後刷屏顯示真彩映像。

（4）此外，如果你玩過網路攝影機或者你想玩網路攝影機，我們也可以將網路攝影機作為外部資料源，來採集映像，傳輸至SDRAM/SRAM，提供給VGA刷屏，更是不錯的方案。此方案關鍵在於網路攝影機的驅動，以及資料的處理，當硬體滿足要求的情況下。即時顯示，不在話下，因此受到了很多人的青睞。以下就是通過網路攝影機採集資料，即時顯示的軟體設計流程圖：

這個方案實際應用中已經很多，Bingo在未來某一天會詳細講解視頻映像採集、識別、處理的，敬請稍候……

三、網上NB連結

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http://blog.ednchina.com/ilove314/33563/category.aspx

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終於看到了希望——基於美女的VGA系統構架 - CrazyBingo - 部落格園.mht

http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/12/01/1892610.html

終於看到了希望——基於美女的VGA系統構架 - CrazyBingo - Ouravr論壇

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4437397&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=hanbin08041813&bbs_id=9999

四、Bingo的設計1. 硬體設計

（1）16Bits RGB通道：真彩資料VGA介面。第十四章講過VGA介面設計，要得到真彩資料，可以用電阻網路類比，或者視頻轉換晶片來得到多路數字通道，此處Bingo採用了視頻轉換晶片ADV7120KST50，原理圖如下：

（2）SDRAM：Nios II 記憶體儲存晶片，Bingo此處採用了HY57V641620 SDRAM，硬體原理圖如下：

（3）SRAM：VGA刷屏資料顯存IC，此處採用了ISSI的IS61LV51216AL-10TI 作為高速顯存晶片。

2. 軟體設計

如所示，Bingo設計的真彩映像顯示的工程的RTL圖。

這應該算是真彩顯示的最簡單的設計吧，將映像資料隨Nios II配置JTAG下載SDRAM，再讀取專一值SRAM，刷屏實現真彩映像的VGA顯示。本工程的軟體架構如下，主要用了以下這幾個模組：

System_Ctrl	PLL，複位等的非同步訊號同步化，保證系統穩定性
Vga_clk_core	Nios II CPU軟核，處理預存SDRAM內的圖片資料，傳輸給Verilog設計模組，sram_clrl，將資料存入SRAM
Sram_Ctrl	接受Nios II 軟核發送過來的圖片資料，並且緩衝入SRAM
Vga_Driver	利用前文Bingo將結果的VGA驅動，讀取SRAM內資料，直接刷屏

3. 注意問題

關於CPU傳輸資料給Sram_Ctrl模組，Bingo採用了類比6800匯流排協議，來對資料進行交換處理。當然若有更好的方案，您可以自行設計協議，Verilog相當的靈活。

關於時鐘的處理，由於設計中設計到了大量資料的傳輸，時序上需要嚴謹，因此要嚴格處理好CPU與Verilog的跨時鐘、VGA刷屏時鐘、複位訊號等的協調，以及穩態亞穩態，甚至時序約束。

關於本設計的疑問，在此不做過多累贅講解，請看Ouravr論壇Bingo當年的文章，設計的工程已包含在本文章中，說明以及問題的分析已經很明了。由於設計比較早，模組上並沒有完全按照本書前面介紹的來，敬請諒解。文章網址如下：

終於看到了希望——基於美女的VGA系統構架 - CrazyBingo - Ouravr論壇

http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4437397&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=hanbin08041813&bbs_id=9999

五、各種

六、網路參考

(原創) 如何Real Time產生灰階影像? (SOC) (DE2) (TRDB-DC2)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2008/08/23/de2_cmos_gray.html

(原創) 如何設計一個數位相框? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (TRDB-LTM) (DE2-70)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2010/08/14/de2_70_photo_frame.html

(原創) 如何使用Standard Library作影像處理? (C/C++) (Image Processing)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2007/02/04/639740.html

(原創) 如何設計一個SD卡Wav Player? (SOC) (Quartus II) (SOPC Builder) (Nios II) (DE2-70)

http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2010/08/13/de2_70_sd_player.html

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